CN107604408B - 一种铁酸铋薄膜及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及薄膜制备技术领域，具体涉及一种铁酸铋薄膜及其制备方法。所述铁酸铋薄膜采用电化学沉积的方法制备而成。该方法首先将硝酸铋溶液和硝酸铁溶液配制成电解液，然后经沉积反应得到铁酸铋薄膜。本发明使用电化学沉积的方法制备铁酸铋薄膜，沉积速率高，沉积过程所需的温度却较低，可以用简单的手段实现掺杂，并沉积在复杂的基片上，并可以通过改变电化学的参数来得到不同厚度、性能不同的铁酸铋薄膜，该方法需要的设备与操作简单，成本较低，适合进行大规模的工业生产。

Description

一种铁酸铋薄膜及其制备方法

技术领域

本发明涉及薄膜制备技术领域，具体涉及一种铁酸铋薄膜及其制备方法。

背景技术

铁酸铋是我们所知的一种可以在室温的条件下存在的单相材料，其铁电居里温度较高，剩余极化强度较大，禁带宽度较小，还具有多铁特性。丰富的特性使得其有着广泛的应用范围，其不仅可以应用于压电、铁磁器件和传感器，而且铁酸铋材料具备光伏效应，在新能源太阳能的快速发展下，铁酸铋材料还有望应用在光伏器件上。

但与此同时我们也发现了另一个问题，那就是纯铁酸铋的制备问题，即想要得到大规模的、纯度较高的铁酸铋是很困难的。迄今磁控溅射法，脉冲激光法以及溶胶凝胶法都是实验室制备铁酸铋材料的主要方法，但是这些方法也都有各自的弊端。虽然磁控溅射法和脉冲激光法具有镀膜层与基材的结合力强、镀膜层致密、均匀等优点，但是这两种方法所使用的设备十分昂贵，制备的工艺条件要求很高不适用于大规模的工业生产。对于溶胶凝胶法来说，虽然其工艺较为简单、成本低，但是其制备过程需要很长的时间，同样也是不适用于大规模的工业生产。通过研究探索发现采用电化学沉积的方法来制备铁酸铋薄膜也是可行的，而且电化学沉积法的工艺简单，可控性强，成本较低，十分符合大规模工业生产的要求。因此，研究采用电化学沉积的方法来制备铁酸铋薄膜是非常具有研究价值以及实用价值的。为此申请人经过长期的探索提出一种利用电化学沉积的方法来制备铁酸铋薄膜的方法。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种铁酸铋薄膜，以及该薄膜的制备方法。

本发明的铁酸铋薄膜是利用电化学沉积的方法在基片上成功制备而成的。

为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种铁酸铋薄膜，所述铁酸铋薄膜采用电化学沉积的方法制备而成。

一种铁酸铋薄膜的制备方法，该方法首先将硝酸铋溶液和硝酸铁溶液配制成电解液，然后经沉积反应得到铁酸铋薄膜。

作为进一步的改进，铁酸铋薄膜的制备方法，具体包括如下步骤：

1）处理ITO基片：将ITO基片清洗干净；

2）配置电解液：将硝酸铋溶液和硝酸铁溶液以2:3的体积比配置成混合溶液，然后加入丙烯酸得到电解液；

3）组装电解池：采用上述电解液于20-40℃的水浴内，并将处理好的ITO基片和铂电极以及Ag/Cl参比电极放置在电解池中；

4）采用恒电位极化：采用的电位范围为-0.7~-0.2V；

5) 沉积铁酸铋薄膜：用控制变量的方法，控制电解液的浓度、pH、温度、电位和沉积时间，在ITO基片上沉积得到铁酸铋薄膜。

作为进一步的改进，一种铁酸铋薄膜的制备方法，具体包括如下步骤：

1)处理ITO基片：清洗基片表面的杂质及污染物，确保基片保持干净无污染；

2)配制电解液：取6~25ml浓度为0.001~0.1mol/L的硝酸铋溶液和6~25ml浓度为0.001~0.1 mol/L的硝酸铁溶液，使得硝酸铋溶液和硝酸铁溶液的体积比为2：3，得到混合溶液，并向混合溶液中加入冰乙酸得到电解液；

3) 组装电解池：将电解液置于于电解池中，将电解池置于恒温水浴锅内，把水浴锅的温度设为20~40℃，再把处理好的基片和铂电极以及Ag/Cl参比电极以垂直的角度放置在电解池中；确保基片浸入电解液的面积是1×2cm²，基片的导电面与铂电极平行相对，间距为1 cm，然后把电化学工作站与电解池连接；

4) 采用恒电位极化：电位范围为-0.7~-0.2V；

5) 沉积铁酸铋薄膜：用控制变量的方法，控制电解液的浓度为0.001~0.1 mol/L、pH为1~3、温度为20~40℃、电位为-0.7~-0.2V和沉积时间为300~2000 s，在基片上沉积得到铁酸铋薄膜。

作为进一步的改进，所述冰乙酸的加入量为1~10ml。

作为进一步的改进，所述步骤2)最后还加入1～3克聚乙烯吡咯烷酮。

作为进一步的改进，所述聚乙烯吡咯烷酮为聚乙烯吡咯烷酮K90或聚乙烯吡咯烷酮K30。

作为进一步的改进，所述步骤2)中还加入乙醇或丙酮溶液，加入量为2-5ml。

作为进一步的改进，所述步骤4) 采用恒电位极化：具体为循环伏安曲线法，将计算机上CorrTestTM的测试方法设置成循环伏安曲线法，开始进行循环伏安的扫描，得到扫描曲线；确定实验成膜的电位范围为-0.7~-0.2V。

本发明与现有技术相比，有益效果是：

本发明使用电化学沉积的方法制备铁酸铋薄膜，沉积速率高，沉积过程所需的温度却较低，可以用简单的手段实现掺杂，并沉积在复杂的基片上，并可以通过改变电化学的参数来得到不同厚度、性能不同的铁酸铋薄膜，该方法需要的设备与操作简单，成本较低，适合进行大规模的工业生产。

附图说明

图1是本发明的实施例1的电解池示意图；

图2是本发明的实施例1所得产物的XRD测试分析图；

图3是本发明的实施例1所得产物的扫描电镜图；

图4是本发明的实施例1所得产物的透过测试图。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明的技术方案作进一步描述说明。

如果无特殊说明，本发明的实施例中所采用的原料均为本领域常用的原料，实施例中所采用的方法，均为本领域的常规方法。

一种铁酸铋薄膜，所述铁酸铋薄膜采用电化学沉积的方法制备而成。

一种铁酸铋薄膜的制备方法，该方法首先将硝酸铋溶液和硝酸铁溶液配制成电解液，然后经沉积反应得到铁酸铋薄膜。

更具体的：一种铁酸铋薄膜的制备方法，具体包括如下步骤：

1）处理ITO基片：将ITO基片清洗干净；

2）配置电解液：将硝酸铋溶液和硝酸铁溶液以2:3的体积比配置成混合溶液，然后加入丙烯酸得到电解液；

3）组装电解池：如图1所示，采用上述电解液于20-40℃的水浴内，并将处理好的ITO基片和铂电极以及Ag/Cl参比电极放置在电解池中；

4）采用恒电位极化：采用的电位范围为-0.7~-0.2V；

5) 沉积铁酸铋薄膜：用控制变量的方法，控制电解液的浓度、pH、温度、电位和沉积时间，在ITO基片上沉积得到铁酸铋薄膜。

更详细的，铁酸铋薄膜的制备方法，包括如下步骤：

1)处理ITO基片：清洗基片表面的杂质及污染物，确保基片保持干净无污染；

2)配制电解液：取6~25ml浓度为0.001~0.1mol/L的硝酸铋溶液和6~25ml浓度为0.001~0.1 mol/L的硝酸铁溶液，使得硝酸铋溶液和硝酸铁溶液的体积比为2：3，得到混合溶液，并向混合溶液中加入冰乙酸得到电解液；

3) 组装电解池：如图1所示，将电解液置于于电解池中，将电解池置于恒温水浴锅内，把水浴锅的温度设为20~40℃，再把处理好的基片和铂电极以及Ag/Cl参比电极以垂直的角度放置在电解池中；确保基片浸入电解液的面积是1×2cm²，基片的导电面与铂电极平行相对，间距为1 cm，然后把电化学工作站与电解池连接；

4) 采用恒电位极化：电位范围为-0.7~-0.2V；

5) 沉积铁酸铋薄膜：用控制变量的方法，控制电解液的浓度为0.001~0.1 mol/L、pH为1~3、温度为20~60℃、电位为-0.7~-0.2V和沉积时间为300~2000 s，在基片上沉积得到铁酸铋薄膜。

作为进一步的改进，所述冰乙酸的加入量为1~10ml。

作为进一步的改进，所述步骤2)最后还加入1～3克聚乙烯吡咯烷酮。

作为进一步的改进，所述聚乙烯吡咯烷酮为聚乙烯吡咯烷酮K90或聚乙烯吡咯烷酮K30。

作为进一步的改进，所述步骤2)中还加入乙醇或丙酮溶液，加入量为2-5ml。

作为进一步的改进，所述步骤4) 采用恒电位极化：具体为循环伏安曲线法，将计算机上CorrTestTM的测试方法设置成循环伏安曲线法，开始进行循环伏安的扫描，得到扫描曲线；确定实验成膜的电位范围为-0.7~-0.2V。

实施例1：

一种铁酸铋薄膜制备方法，步骤如下：

1) 处理ITO基片，处理好的基片干燥备用；

2)配制电解液：取6ml浓度为0.001 mol/L的硝酸铋溶液和9ml浓度为0.001 mol/L的硝酸铁溶液，得到混合溶液，向混合溶液中加入冰乙酸1ml防止硝酸铋和硝酸铁水解，配制好电解液待用；

3) 组装电解池：将电解液混合于实验电解池中，将电解池置于恒温水浴锅里，把水浴锅的温度设为20℃，再把之前处理好的基片和铂电极以及Ag/Cl参比电极以垂直的角度放置其中。要使基片浸入电解液的面积是1×2cm²，而且要保证基片的导电面与铂电极是平行相对的，间距为1 cm,然后把电化学工作站与电解池相连接起来；

4) 采用恒电位极化：电位范围为-0.7~-0.2V；具体的，电位确定采用循环伏安曲线法，将计算机上CorrTestTM的测试方法设置成循环伏安曲线法，开始进行循环伏安的扫描，得到扫描曲线。通过对电流峰对应的电位以及电流大小的分析，我们可以确定实验成膜的最优电位范围为-0.7V；

5) 沉积铁酸铋薄膜: 控制电解液的浓度为0.001 mol/L、pH为1、温度为20℃、电位为-0.7V和沉积时间为300 s，在基片上沉积出铁酸铋薄膜。

由图2、图3和图4可知，本申请得到的铁酸铋薄膜分布均匀，性能较好。

实施例2：

一种铁酸铋薄膜制备方法，步骤如下：

1) 处理ITO基片，处理好的基片干燥备用；

2)配制电解液：取10ml浓度为0.01 mol/L的硝酸铋溶液和15ml浓度为0.01 mol/L的硝酸铁溶液，得到混合溶液，向混合溶液中加入冰乙酸10ml防止硝酸铋和硝酸铁水解，配制好电解液待用；

3) 组装电解池：将电解液混合于实验电解池中，将电解池置于恒温水浴锅里，把水浴锅的温度设为40℃,再把之前处理好的基片和铂电极以及Ag/Cl参比电极以垂直的角度放置其中。要使基片浸入电解液的面积是1×2cm²，而且要保证基片的导电面与铂电极是平行相对的，间距为1 cm,然后把电化学工作站与电解池相连接起来;

4) 循环伏安曲线法: 将计算机上CorrTestTM的测试方法设置成循环伏安曲线法，开始进行循环伏安的扫描，得到扫描曲线。通过对电流峰对应的电位以及电流大小的分析，我们可以确定实验成膜的最优电位范围为-0.4V；

5) 沉积铁酸铋薄膜: 控制电解液的浓度为0.01mol/L、pH为2、温度为40℃、电位为-0.4V和沉积时间为1100 s，在基片上沉积出铁酸铋薄膜。

实施例3：

一种铁酸铋薄膜制备方法，步骤如下：

1) 处理ITO基片，处理好的基片干燥备用；

2)配制电解液：取16ml浓度为0.1 mol/L的硝酸铋溶液和24ml浓度为0.1 mol/L的硝酸铁溶液，得到混合溶液，向混合溶液中加入冰乙酸5ml防止硝酸铋和硝酸铁水解，配制好电解液待用；

3) 组装电解池：将电解液混合于实验电解池中，将电解池置于恒温水浴锅里，把水浴锅的温度设为60℃,再把之前处理好的基片和铂电极以及Ag/Cl参比电极以垂直的角度放置其中。要使基片浸入电解液的面积是1×2cm²，而且要保证基片的导电面与铂电极是平行相对的，间距为1 cm,然后把电化学工作站与电解池相连接起来;

4) 循环伏安曲线法: 将计算机上CorrTestTM的测试方法设置成循环伏安曲线法，开始进行循环伏安的扫描，得到扫描曲线。通过对电流峰对应的电位以及电流大小的分析，我们可以确定实验成膜的最优电位范围为-0.2V；

5) 沉积铁酸铋薄膜: 控制电解液的浓度为0.1 mol/L、pH为3、温度为60℃、电位为-0.2V和沉积时间为2000 s，在基片上沉积出铁酸铋薄膜。

实施例4：

在实施例1或2或3的基础上，在步骤2)的电解液中加入1～3克聚乙烯吡咯烷酮，并且聚乙烯吡咯烷酮为聚乙烯吡咯烷酮K90或聚乙烯吡咯烷酮K30。

再加入1克后，薄膜的成膜速率得到提高，再加入2.5克后达到最高，然后再加入，成膜速率没有得到明显改善，并且有下降趋势。

实施例5：

在实施例1或2或3或4的基础上，还加入2-5ml乙醇或丙酮溶液，加入乙醇或丙酮溶液后，生成的薄膜强度得到提高，不易破裂。

实施例6：

在实施例1或2或3或4的基础上，还加入3ml乙醇，加入乙醇或丙酮溶液后，生成的薄膜强度得到提高，不易破裂。

Claims (3)

1.一种铁酸铋薄膜，其特征在于，所述铁酸铋薄膜采用电化学沉积的方法制备而成；该方法首先将硝酸铋溶液和硝酸铁溶液配制成电解液，然后经沉积反应得到铁酸铋薄膜；具体包括如下步骤：

1)处理ITO基片：清洗基片表面的杂质及污染物，确保基片保持干净无污染；

2)配制电解液：取6~25ml浓度为0.001~0.01mol/L的硝酸铋溶液和6~25ml浓度为0.001~0.01 mol/L的硝酸铁溶液，使得硝酸铋溶液和硝酸铁溶液的体积比为2：3，得到混合溶液，并向混合溶液中加入冰乙酸得到电解液；冰乙酸的加入量为1~10ml；最后加入1～3克聚乙烯吡咯烷酮、2-5ml的乙醇或丙酮溶液；

3) 组装电解池：将电解液置于电解池中，将电解池置于恒温水浴锅内，把水浴锅的温度设为20~40℃，再把处理好的基片和铂电极以及Ag/Cl参比电极以垂直的角度放置在电解池中；确保基片浸入电解液的面积是1×2cm²，基片的导电面与铂电极平行相对，间距为1cm，然后把电化学工作站与电解池连接；

4) 采用恒电位极化：电位范围为-0.7~-0.2V；

5) 沉积铁酸铋薄膜：用控制变量的方法，控制电解液的浓度为0.001~0.01 mol/L、pH为1~3、温度为20~40℃、电位为-0.7~-0.2V和沉积时间为300~1100 s，在基片上沉积得到铁酸铋薄膜。

2.根据权利要求1所述的一种铁酸铋薄膜，其特征在于，所述聚乙烯吡咯烷酮为聚乙烯吡咯烷酮K90或聚乙烯吡咯烷酮K30。

3.根据权利要求1所述的一种铁酸铋薄膜，其特征在于，所述步骤4) 采用恒电位极化：具体为循环伏安曲线法，将计算机上CorrTestTM的测试方法设置成循环伏安曲线法，开始进行循环伏安的扫描，得到扫描曲线；确定实验成膜的电位范围为-0.7~-0.2V。